切頂爆破在小煤柱沿空掘巷中的應用研究

武顏璋

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 晉城 048000）

目前，伯方煤礦回采3#煤層3305工作面，為節約煤炭資源，提高煤炭采出率，延長3#煤層服務年限，在3305工作面回采完成后，擬在3304工作面、3306工作面采用小煤柱沿空掘巷。但由于留小煤柱沿空掘巷，受臨近采空區側向支承壓力影響，巷道變形量大，維護困難。基于此，針對3305工作面兩順槽進行切頂爆破卸壓研究，減弱采空區側向支承壓力影響，為后期小煤柱開采時的合理煤柱尺寸留設以及沿空順槽掘進工作面加固支護優化創造條件。

1 工程概況

3305工作面位于3號煤三盤區，東部為三盤區回風、軌道、運輸大巷，北部為實體煤柱和3302工作面，南部為實體煤柱，西部為礦界。工作面走向長度為1940，傾向長度為215m。工作面直接頂為2.8m后砂巖，老頂為9.1m厚細砂巖，底板為7.15m厚泥巖。煤層平均厚度5.47m，工作面傾角1°～10°，平均4°，采用傾斜長壁式采煤方法，綜合機械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。伯方煤礦采用跳采的方式進行回采，即3305工作面回采結束后，臨近兩側工作面形成孤島工作面，受采動影響工作面壓力較大，因此，設計采用在3305工作面兩側順槽進行切頂卸壓，減小采空區側向支承壓力對臨近工作面的采動影響，在兩順槽切頂爆破卸壓1400m。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面位置關系示意圖

2 3305工作面兩順槽原支護形式

3305兩順槽頂板支護選用φ20mm，L=2200mm的螺紋鋼錨桿+鋼筋梯子梁+菱形網支護，錨桿間排距800×900 mm；幫部支護選用MTS421Φ16×1800mm的脹套錨桿+鋼筋梯子梁+菱形網支護，間距800mm，排距900mm；頂板錨索選用Φ17.8×8300mm，布置方式：“二·二”布置，間距 1800mm，排距1800mm，支護示意圖如圖2所示。

圖2 順槽支護示意圖

3 頂板切頂爆破卸壓方案設計

3305工作面順槽采用以“切頂卸壓+單體液壓支柱臨時支護”為主體的設計方案，3305工作面回采工程中，在兩順槽通過精準定向預裂切縫爆破，同時利用單體液壓支柱輔助配合“π”型梁支護，對抗切頂爆破瞬間對頂板的沖擊。通過在巷道煤柱側頂板形成定向預裂縫，切斷采空區側向頂板應力傳遞路徑，減弱臨近巷道頂板壓力。且精準定向預裂爆破在產生預裂縫的同時也能夠很好地保護臨近巷道頂板及煤柱頂板完整性。即在兩順槽精準定向預裂切縫爆破后，隨著3305工作面的不斷推進，將采空區長懸臂梁轉化為短臂梁，減小采空區側向支承壓力對3304工作面、3306工作面沿空順槽的影響。

1）頂板定向預裂鉆孔角度。根據采高H的不同，在切頂卸壓沿空留巷情況下，頂板定向預裂鉆孔角度（β）一般按以下經驗數據進行確定：①當HC≤1m時，β=20°；②當 1m＜HC≤3m時，β=15°；③當3m＜HC≤5m時，β=10°；伯方煤礦3305工作面采高H為5.47m，可選擇切縫角度為10°。但由于伯方煤礦只切頂卸壓不留巷，為達到更好的留巷效果，將懸臂長度縮到最短，最終確定3305工作面兩順槽切縫角度為0°（鉛垂線方向）。

2）頂板定向預裂鉆孔深度及其布置。切頂預裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量以及底鼓量等有關，可通過預裂切縫深度（H縫）臨界設計公式如下：

式中：H縫為切縫深度；H1為頂板下沉量，m；H2為底臌量，m；K為碎脹系數，一般取1.3-1.5。

根據伯方礦直接頂為砂巖，本設計K暫按1.32取值，根據補打鉆孔資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，工作面采高取最大值5.47m時，H縫=17.1m，故將切頂深度確定為18m。切縫孔沿3305兩順槽走向平行布置一排，距工作面煤幫500mm，間距暫定500mm，切縫孔直徑Φ52mm，深度18m，切縫孔與鉛垂線夾角為0°，圖3為運輸順槽頂板定向預裂切縫孔斷面圖。

圖3 運輸順槽頂板定向預裂切縫孔斷面圖

3）頂板定向預裂爆破方式及裝藥結構。裝藥方式采用四孔連續裝藥隔一個孔，爆破采用不耦和裝藥，在井下作業現場進行裝藥，當班使用當班裝藥。首先將聚能管的扣蓋打開，再將乳化炸藥兩頭剪開，裝入注藥槍內，利用井下壓風管向裝有乳化炸藥的注藥槍內供氣，再用注藥槍向聚能管內注入炸藥，聚能管內炸藥必須連續注滿，為防止盲炮出現，每根聚能管內安裝兩發雷管，正向裝藥，每根聚能管內的兩發雷管并聯連線，聚能管和聚能管之間的雷管采用串聯連線，將扣蓋扣緊，炮孔和炮孔之間采用串聯連線。在裝好藥的聚能管上安裝定位塊或對中塊，中間的聚能管安裝一個對中塊，確保炮孔內聚能管位于炮孔中央，孔口的聚能管上安裝定位塊，確保裝進炮孔的聚能管不發生轉動定位準確，并在伸入孔底的一端安裝孔底連接件，綁扎一卷炸藥并安裝雷管作為加強藥。聚能管裝入炮孔中，其兩端的聚能槽相互對應沿巷道呈一條直線。聚能管扣蓋必須朝向采空區方向，最后用炮泥封孔，封泥長度不得小于孔深的1/3。如圖4所示。

4）爆破前巷道臨時補強支護。為了保證切頂爆破過程巷道的穩定性，在對3305工作面兩順槽頂板進行預裂切頂爆破前，采用單體液壓支柱+3.2m長的π型梁進行臨時加強支護，單體液壓支柱+頂梁采用“一梁四柱”，平行切縫方向支設，單體液壓支柱距離炮孔距離200mm，柱距900mm。隨著工作面的不斷推進，超前支架逐漸前移，再逐段回撤單體液壓支柱。

圖4 裝藥結構

5）爆破切頂效果分析。爆破卸壓前，采用單體液壓支柱+3.2m長的π型梁加強支護，根據3305巷道變形觀測結果統計：卸壓后，巷道的頂板的平均變形量為100mm，最大變形量為200mm，變形量較小。因此，在原支護的基礎上，通過切頂卸壓+單體液壓支柱臨時支護可以實現對巷道變形的有效控制，回采規程中，由于煤層底板為厚泥巖，需注意底板遇水膨脹變形的問題，加強對底板變形的控制，保證工作面的安全生產。

4 經濟效益

伯方煤礦目前按照常規回采布置，工作面與工作面間留設煤柱25m，現按照切頂卸壓留設小煤柱（煤柱6m）開采，煤價暫按700元/t計算。切頂卸壓留設小煤柱（煤柱6m）開采每100m多回收煤量=100×（25-6）×5.47×1.35=14030t，則增加收入=14030×700=982.1萬元。

按照炮孔間距500mm計算，切頂卸壓需支出費用=材料費+人工費+機械費=321144＋317000＋51000=68.92萬元，由此可知：采取切頂卸壓留設小煤柱開采的經濟效益為=982.1－68.92=913.18萬元，效益可觀，經濟技術效益如表1所示。

表1 經濟技術指標

5 結論

1）采用以“切頂卸壓+單體液壓支柱臨時支護”設計方案，在回采工程中，通過對巷道頂板定向預裂鉆孔角度、定向預裂鉆孔深度進行計算，實施精準定向預裂切縫爆破，采取單體液壓支柱輔助配合“π”型梁支護，對抗切頂爆破瞬間對頂板的沖擊。經爆破后的巷道變形觀測：巷道頂板最大變形量為200mm，巷道變形的控制較好，為以后沿空掘巷創造了條件。

2）通過切頂卸壓留設小煤柱開采與原留設25m大煤柱經濟效益對比可知，采取切頂卸壓留設小煤柱開采的百米巷道產生經濟效益913.18萬元，經濟效益可觀，值得推廣。